基于動力響應(yīng)的結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)研究

劉發(fā)全

(湖南科技學(xué)院永大建設(shè)工程公司，湖南永州 425106)

1 概述

結(jié)構(gòu)檢測即針對某個或某些需要檢測的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，根據(jù)實際情況中的鑒定要求，結(jié)合結(jié)構(gòu)本身的一些基本情況，以相關(guān)規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，采取相應(yīng)的檢測行為，并對檢測數(shù)據(jù)合理地進(jìn)行處理和分析，從而最終對該待檢測的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的實際狀態(tài)給出科學(xué)和準(zhǔn)確的鑒定結(jié)果。結(jié)構(gòu)檢測主要是圍繞結(jié)構(gòu)的強度、剛度和穩(wěn)定性指標(biāo)來對建筑物本身進(jìn)行相關(guān)的檢測和鑒定，從而建立一個對結(jié)構(gòu)的整體認(rèn)識[1］。

改革開放以來，我國大興土木建設(shè)，而土木結(jié)構(gòu)的安全和質(zhì)量問題與人們的生活息息相關(guān)，因而，能有效辨識和鑒定工程結(jié)構(gòu)性能和狀態(tài)的結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)的開發(fā)和研究受到了越來越多的學(xué)者的關(guān)注。眾所周知，結(jié)構(gòu)在設(shè)計使用年限范圍內(nèi)需滿足安全性、適用性和耐久性要求，如果結(jié)構(gòu)由于某些原因?qū)е鲁霈F(xiàn)了一些可見或不可見的損傷，則需要對結(jié)構(gòu)本身或結(jié)構(gòu)中最有可能出現(xiàn)損傷的構(gòu)件進(jìn)行檢測，當(dāng)判定結(jié)構(gòu)確實存在安全隱患時，宜對結(jié)構(gòu)采取一些相應(yīng)的處理措施，如加固或拆除等[2］。一般而言，若存在以下情況，則需進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢測[3-5］:1)設(shè)計失誤;2)施工不足;3)不正當(dāng)?shù)氖褂没蚋脑?4)酸堿環(huán)境變化;5)結(jié)構(gòu)年久失修，安全度不足;6)結(jié)構(gòu)由于各種原因?qū)е铝芽p的發(fā)生和發(fā)展;7)需要保養(yǎng)和維護(hù)的古建筑或歷史性建筑。

2 常用結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)

現(xiàn)今的結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)均基于現(xiàn)行的各個規(guī)范，通過實驗獲得數(shù)據(jù)，并從中獲取能反映結(jié)構(gòu)或構(gòu)件實際狀態(tài)的性能參數(shù)，從而定性以及定量分析結(jié)構(gòu)的實際承載能力以及剩余使用年限。其檢測內(nèi)容一般包括:1)建筑物中裂縫的開展及分布情況;2)結(jié)構(gòu)位移和變形情況;3)施工質(zhì)量缺陷及程度，如混凝土強度等級鑒定，是否露筋以及施工是否與設(shè)計相符等;4)檢查周邊建筑對結(jié)構(gòu)的影響;5)自然及人為因素對結(jié)構(gòu)的影響。根據(jù)不同的劃分原則，檢測技術(shù)分類各不相同，為便于敘述，這里根據(jù)需要檢測的結(jié)構(gòu)種類把建筑結(jié)構(gòu)檢測方法分為混凝土結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)、砌體結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)和鋼結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)，現(xiàn)分別介紹以上三類檢測技術(shù)如下。

2.1 混凝土結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)

現(xiàn)階段，我國的主要結(jié)構(gòu)的主要形式仍然為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，因此，混凝土結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)相對發(fā)展較早，且相對較成熟，根據(jù)檢測內(nèi)容及方向的不同，主要包括混凝土材料性能檢測、構(gòu)件層次檢測以及混凝土強度等級檢測這三個方面。

眾所周知，混凝土是由砂石等骨料以及水泥等多種材料混合而成，是一種離散性很強的非均質(zhì)材料，由于該材料性能中對超聲脈沖的吸收、散射衰減較大，因此，目前對混凝土材料和構(gòu)件的檢測通常是采用超聲波檢測，其目的是檢測混凝土內(nèi)部的均勻性，判斷是否存在裂縫、空洞等。該檢測技術(shù)的工作原理簡單明了，即利用超聲波在混凝土中傳播的速度、首波峰值以及波的能量等參數(shù)應(yīng)該基本保持一致，若混凝土內(nèi)部出現(xiàn)缺陷，如裂縫，則超聲波在裂縫處將產(chǎn)生復(fù)雜的反射、折射，因而，接收到的信號將出現(xiàn)畸變，此外，由于裂縫對能量的耗散，對應(yīng)位置接收的超聲波能量將出現(xiàn)衰減?；诮邮盏男盘柕淖兓鶕?jù)一些時程分析手段，超聲波檢測技術(shù)基本可以實現(xiàn)混凝土內(nèi)部缺陷，如裂縫、空洞的有效測定和識別。

目前，混凝土強度等級檢測的方法通常采用的是鉆芯法和回彈法。鉆芯法是指在混凝土結(jié)構(gòu)局部關(guān)鍵部位或需重點考察的部位鉆取混凝土芯樣，并通過抗壓試驗測定其抗壓強度，該方法適用于齡期不少于14 d，強度不低于10 MPa的混凝土結(jié)構(gòu)。由鉆芯法的操作過程不難看出，該方法是一種有損檢測技術(shù)。

盡管其檢測結(jié)果相對可靠，但是取樣的過程中必然對結(jié)構(gòu)或構(gòu)件造成損傷，尤其是一些關(guān)鍵部位，總會不同程度的影響結(jié)構(gòu)的整體性能，因而，該方法無法對結(jié)構(gòu)實現(xiàn)大規(guī)模的檢測，以免對結(jié)構(gòu)造成“誤傷”。有別于有損檢測技術(shù)，無損檢測技術(shù)不會對結(jié)構(gòu)或構(gòu)件本身造成損傷，如回彈法、超聲法和超聲—回彈綜合法等，但是，無損檢測技術(shù)所測定的參數(shù)值(如回彈值、聲速值)存在非敏感性問題，這也導(dǎo)致了檢測結(jié)構(gòu)精度相對不高。以上有損檢測和無損檢測技術(shù)均具有一定的理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)，然而，由于混凝土材料本身的離散性，以及普遍存在的各種主觀或客觀上的檢測誤差，這也不可避免的導(dǎo)致了各個檢測結(jié)果之間的差異性和不確定性。為了彌補這一缺陷，不少專家建議采用綜合法，該方法將回彈法、鉆芯法和超聲法三種不同的方法得到的不同的檢測結(jié)果通過某一函數(shù)進(jìn)行計算，獲得加權(quán)均值，從而通過該均值反映結(jié)構(gòu)狀態(tài)，由此可見，綜合法綜合利用了以上三種方法的檢測結(jié)果，所以具有更高的代表性和可信度。此外，作為一種介于有損檢測和無損檢測技術(shù)之間的混凝土強度微破損檢測技術(shù)，拔出法具有操作簡便易行，適應(yīng)性強，對結(jié)構(gòu)損傷小，檢測結(jié)果可信度高等優(yōu)點，其應(yīng)用也在逐漸普及當(dāng)中。然而，該方法在我國的研究起步較晚，且受一些特定因素的影響，如成本較高、需預(yù)埋件等，其應(yīng)用范圍不及回彈法和超聲法。

2.2 砌體結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)

砌體結(jié)構(gòu)具有成本相對低、取材方便、保溫、隔熱、隔音等優(yōu)點，至今仍然被廣泛應(yīng)用于我國的建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)中。然而，砌體結(jié)構(gòu)本身也存在自重大、強度低、砂漿與塊體之間的粘結(jié)力較弱等缺陷，因此，在外部較強荷載，特別是水平荷載作用下，容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷，隨著損傷的累積和發(fā)展，極易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承載力下降以及部分功能喪失，嚴(yán)重的甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的坍塌破壞，因此，對砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的檢測也顯得尤為重要。一般而言，砌筑結(jié)構(gòu)檢測通常包括塊材強度檢測、砌體材料強度檢測和砂漿強度檢測等。

根據(jù)檢測對象的不同，砌體結(jié)構(gòu)檢測分為直接法和間接法兩大類，分別用來檢測砌體的抗剪抗壓強度和砂漿的強度等級，具體的操作方法很多，如軸壓法、回彈法、原位單剪法、推出法、原位單磚雙剪法、筒壓法、射釘法等。直接法可以通過試驗直接測試砌體的強度參數(shù)，從而反映結(jié)構(gòu)材料性能以及施工質(zhì)量問題，其不足在于檢測工作量較大，且對砌體不可避免地存在一定的損傷;間接法可以通過測試與砂漿強度有關(guān)的物理參數(shù)，從而估計砂漿的強度等級，但是，進(jìn)行強度等級估計時，容易導(dǎo)致測試誤差增大，因而，具有一定的局限性，該方法的優(yōu)點在于操作簡便，基本屬于無損檢測一類。由此可見，砌體結(jié)構(gòu)的檢測方法的選用應(yīng)視實際情況而定，綜合各方面的因素，合理的選用以上兩種方法或兩者的結(jié)合法。

2.3 鋼結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)

鋼結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)主要是用來檢測鋼結(jié)構(gòu)或鋼構(gòu)件的質(zhì)量或性能的方法。其檢測的內(nèi)容可分為材料性能、鋼結(jié)構(gòu)或構(gòu)件之間的連接、結(jié)構(gòu)變形與破損、構(gòu)件的外觀與尺寸檢測等。與混凝土結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)相比，鋼材本身是一種勻質(zhì)材料，其強度、剛度、塑性與韌性均能直接、有效測量，且測量方法相對成熟簡單。此外，機械、冶金、化工等工業(yè)部門發(fā)展了相對成熟的鋼材損傷檢測方法，因而，土木工程中，鋼結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)的發(fā)展借鑒和學(xué)習(xí)了國內(nèi)其他行業(yè)的成熟方法。

鋼材最大的缺點是在潮濕和酸堿環(huán)境下的易腐蝕性、耐火性差，因此，鋼結(jié)構(gòu)的檢測內(nèi)容主要包括鋼材本身的性能檢測、結(jié)構(gòu)內(nèi)各節(jié)點處的連接缺陷檢測、鋼材銹蝕程度檢測以及鋼材表面涂層厚度檢測。常用的檢測方法有:超聲波無損檢測、磁粉檢測、射線檢測、滲透檢測、渦流檢測等。

3 結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)發(fā)展趨勢

近幾十年來，許多學(xué)者致力于結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)的研究和開發(fā)，各種檢測技術(shù)也被廣泛應(yīng)用于我國的土木工程建設(shè)，然而，一方面為了進(jìn)一步提高檢測結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性，另一方面為了進(jìn)一步改進(jìn)各檢測技術(shù)，提高其對復(fù)雜實際情況的適應(yīng)性以及實際工程中的可操作性，仍然有不少問題有待解決。

1)完善現(xiàn)有的檢測理論，提出和發(fā)展新的檢測理論。各檢測方法的改進(jìn)和完善是建立在檢測理論的提高以及數(shù)據(jù)處理和分析手段改善的基礎(chǔ)上的，因此，通過理論研究，不斷發(fā)掘適合實際情況且具有較高檢測精度的理論和方法是一個不可回避的問題。

2)提出和改進(jìn)新的檢測技術(shù)手段。隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的不斷深入，結(jié)構(gòu)檢測中的實際需求越來越多，檢測環(huán)境以及檢測條件越來越復(fù)雜化，實際工程中對檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性、檢測技術(shù)的可操作性和便捷性提出了越來越高的要求，因此，不斷發(fā)掘新的環(huán)境適應(yīng)性強的結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)將成為必然的趨勢。

3)不斷更新和改良檢測儀器。檢測儀器質(zhì)量的優(yōu)劣、測試精度的高低、測試時受周邊環(huán)境影響的程度的強弱以及使用過程中的便捷程度都將不可避免的影響結(jié)構(gòu)檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此，結(jié)構(gòu)檢測要求檢測儀器具有精度高、可操作性強、環(huán)境適應(yīng)性強以及攜帶方便等特點，這也一直是檢測儀器改良的方向。

4)發(fā)展新型智能材料，引入新的檢測量，進(jìn)一步擴(kuò)展檢測的范圍和方向。隨著研究的不斷深入，各種性能優(yōu)異的新型材料不斷涌現(xiàn)，基于這些新型智能材料的傳感器不斷出現(xiàn)并逐漸應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)中，如光纖光柵傳感器、基于壓電材料的傳感器等，這些新型智能材料的出現(xiàn)也為結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)的發(fā)展注入了新鮮的血液。

4 結(jié)語

建筑結(jié)構(gòu)檢測的目的是為了認(rèn)知結(jié)構(gòu)的實際狀態(tài)，研究其安全儲備并預(yù)測其剩余使用年限，為了適應(yīng)日益復(fù)雜的檢測需求和現(xiàn)場環(huán)境，檢測技術(shù)需要不斷的創(chuàng)新和改進(jìn)，此外，根據(jù)實際情況采用合理的檢測方法和手段也顯得尤為重要。

[1]高 頌.論建筑工程結(jié)構(gòu)檢測的技術(shù)運用[J］.廣西質(zhì)量監(jiān)督導(dǎo)報，2008(2):51-52.

[2]徐鎮(zhèn)凱，袁志軍，胡濟(jì)群.建筑結(jié)構(gòu)檢測與加固方法[J］.工程力學(xué)，2006，23(sup):117-130.

[3]洪成偉，修海明.建筑結(jié)構(gòu)檢測與加固施工技術(shù)的探討[J］.民營科技，2011(1):236.

[4]楊 亮，繳立強.淺談建筑工程結(jié)構(gòu)檢測[J］.城市建設(shè)，2010，69(25):138-139.

[5]其米旺姆.淺談建筑結(jié)構(gòu)檢測[J］.中國西部科技，2009，8(31):20-21.